基于MSP430的智能家居環(huán)境控制系統(tǒng)設(shè)計

榆林學(xué)院能源工程學(xué)院 萬增利

現(xiàn)代人對智能家居環(huán)境設(shè)計的終極要求是環(huán)境舒適、安全、便捷。本文依此要求為目的設(shè)計一個智能化的家居環(huán)境，本設(shè)計采用MSP430單片機作為整個系統(tǒng)的核心處理器，利用DS18B20溫度傳感器、MQ-7一氧化碳氣體檢測模塊、HC-SR501紅外防盜模塊、GY30光敏傳感器等模塊對家居環(huán)境中的溫度、CO、光照強度、紅外線等進行實時檢測與預(yù)警。并且配合使用聲光報警電路、換氣扇繼電器、燈光繼電器等后端調(diào)控器件，對溫度、CO濃度、光強等物理量進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)控。經(jīng)過硬件測試和軟件調(diào)試之后，本系統(tǒng)可以滿足對溫度、CO、光強、紅外等物理量的檢測與監(jiān)測功能，基本實現(xiàn)了智能家居安防系統(tǒng)的功能，可正常運行、使用。

計算機技術(shù)、軟件技術(shù)以及人工智能等技術(shù)的不斷發(fā)展促進了現(xiàn)代人對家居環(huán)境的要求也不斷在提高，智能化是衡量家居環(huán)境的最重要的指標之一[1-3]，本文設(shè)計一套智能化家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要采用單片機作為主要核心部件，傳感器原件作為監(jiān)測器件，其他輔助原件作為調(diào)控器件實現(xiàn)對智能化家居環(huán)境的實時監(jiān)測和調(diào)控，該系統(tǒng)結(jié)簡單、價格低廉、可靠性較強，基本能實現(xiàn)設(shè)計的總體要求，具有較強的推廣應(yīng)用價值。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于MSP430的智能家居安防系統(tǒng)設(shè)計的硬件電路框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 System structure block diagram

本次設(shè)計的系統(tǒng)的工作原理是：采用MSP430單片機作為核心處理與控制芯片，各傳感器監(jiān)測模塊對家居環(huán)境進行溫度、CO氣體、光照強度、防盜防入侵等實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)檢測，當(dāng)傳感器模塊中的任一模塊采集到的數(shù)值與設(shè)定值存在偏差或者不符時，后端調(diào)控電路產(chǎn)生調(diào)節(jié)控制動作。

主控原件：MS P430F149是一種新型的混合信號處理器，采用了美國德州儀器公司最新低功耗技術(shù)，它將大量的外圍模塊整合到片內(nèi)，特別適合于開發(fā)和設(shè)計單片系統(tǒng)[4]。

傳感器模塊包括：溫度傳感器、光敏電阻傳感器模塊、人體紅外感應(yīng)模塊、一氧化碳氣體傳感器模塊[5,6]。

后端調(diào)控電路包括：報警電路、燈光控制電路和風(fēng)扇控制電路部件，用來加強智能家居安防系統(tǒng)的實用功能[7,8]。

2 硬件部分設(shè)計

2.1 顯示電路設(shè)計

本設(shè)計顯示電路采用LCD12864液晶顯示屏進行顯示。MSP430F149的I/O口數(shù)量比較多，為了以后增加其他功能模塊，所以顯示器與單片機的通信方式采用串口通信。系統(tǒng)正常運行以后，顯示器顯示溫度檢測數(shù)值、CO、光照強度、紅外入侵等信息。本設(shè)計中單片機與LCD12864顯示器接口如圖2所示。

圖2 LCD12864顯示器接口電路Fig.2 LCD12864 display interface circuit

2.2 報警電路設(shè)計

本設(shè)計中報警模塊使用LED元器件。電路圖如圖3所示。當(dāng)單片機輸出高電平時，NLED亮；當(dāng)單片機輸出低電平時，LED不亮。

圖3 聲光報警電路圖Fig.3 Sound and light alarm circuit diagram

2.3 溫度檢測模塊電路設(shè)計

本設(shè)計部分使用DS18B20溫度傳感器與單片機直接連接的方式，用來實現(xiàn)溫度檢測的功能。本設(shè)計的電路如圖4所示。

圖4 溫度檢測模塊原理圖Fig.4 Schematic diagram of temperature detection module

2.4 人體紅外感應(yīng)電路設(shè)計

本設(shè)計使用人體紅外感應(yīng)模塊與單片機連接的方式直接連接，用來可以實現(xiàn)智能家居環(huán)境的紅外防盜防入侵功能。本設(shè)計的原理圖如圖5所示。

圖5 紅外防盜防入侵電路原理圖Fig.5 Schematic diagram of infrared anti-theft and antiintrusion circuit

2.5 電源電路設(shè)計

本系統(tǒng)中硬件的傳感器模塊與單片機供電各不相同，其中的傳感器模塊需要DC+5V供電、MSP430F149單片機不同于51單片機是需要DC+3.3V來提供電壓的。本設(shè)計中的電源電路如圖6所示。

圖6 電源電路設(shè)計圖Fig.6 Power circuit design diagram

本設(shè)計系統(tǒng)中由于各部分所需要的工作電壓是不同，涉及要使用兩種電壓。本設(shè)計中電源電路部分共分為兩個部分，具體如下：

第一部分的輸入電壓是DC+5V，供各傳感器正常工作使用；

第二部分中使用了AMS1117芯片，作用是將電壓由DC+5V調(diào)理到DC+3.3V。

3 程序系統(tǒng)流程圖

基于MSP430單片機的智能家居環(huán)境控制系統(tǒng)采用模塊化思想。根據(jù)所要完成的任務(wù)，將系統(tǒng)軟件分為主程序模塊、溫度采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、鍵盤模塊、顯示模塊和溫度控制模塊。程序開始的時候先初始化，檢測模塊開始采集個單元數(shù)據(jù)并傳送給單片機，通過單片機控制顯示模塊進行顯示，系統(tǒng)自動對比檢測值是否達到了預(yù)設(shè)閾值。如果鍵盤電路有預(yù)設(shè)值的話，那么系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)值的要求給繼電器下達指令，繼電器啟動相應(yīng)的裝置，控制溫度達到設(shè)定值。溫度傳感器繼續(xù)讀取當(dāng)前的溫度值，如果沒有達到預(yù)設(shè)值的范圍，系統(tǒng)繼續(xù)進行循環(huán)。當(dāng)系統(tǒng)采集到的候溫度高于預(yù)設(shè)溫度，則啟動報警電路并停止加熱。基本的程序流程框圖如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)的程序流程圖Fig.7 Program flow chart of the system

4 硬件調(diào)試

通過搭建硬件平臺，對所設(shè)計的系統(tǒng)進行模塊化調(diào)試，經(jīng)多次模塊化調(diào)試發(fā)現(xiàn)各個模塊均能合理運行，在模塊化調(diào)試之后再進行集成調(diào)試，經(jīng)過調(diào)試本次設(shè)計的控制系統(tǒng)能夠合理的運行，達到了本次設(shè)計的目的。

5 結(jié)論

本次設(shè)計基于MSP430單片機的智能家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，以MSP430單片機為核心處理器，利用DS18B20溫度傳感器、MQ-7一氧化碳氣體檢測模塊、HC-SR501紅外防盜模塊、GY30光敏傳感器等模塊對家居環(huán)境中的溫度、CO、光照強度、紅外線等進行實時檢測與預(yù)警，并且配合使用聲光報警電路、換氣扇繼電器、燈光繼電器等后端調(diào)控器件，對溫度、CO濃度、光強等物理量進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)控。經(jīng)過硬件測試和軟件調(diào)試之后，本系統(tǒng)可以滿足對溫度、CO、光強、紅外等物理量的檢測，與監(jiān)測功能基本實現(xiàn)了智能家居安防系統(tǒng)的功能，可正常運行、使用。

引用

[1] 孫曉慶.基于無線通訊的智能家居防盜系統(tǒng)研究與設(shè)計[D].長沙:湖南大學(xué),2012:66.

[2] 張偉宏.論物聯(lián)網(wǎng)下智能家居發(fā)展及趨勢電腦與信息技術(shù)[J].電腦與信息技術(shù),2014,22(3):60-63.

[3] 郭玉芬.基于MSP430G2553的大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報,2014(28):113-114.

[4] 瞿少成,曲豪,張昆明.基于MSP430單片機的光電煙霧探測器設(shè)計[J].微計算機信息,2008,24(35):87-88.

[5] 吳健輝,袁科,譚夢霞.基于MSP430單片機的多傳感器家居安全告警系統(tǒng)設(shè)計[J].湖南理工學(xué)院學(xué)報(自科版),2014,27(4):17-23.

[6] 張飛,孫旭,張仕玲.基于MSP430F149單片機的煤氣泄露監(jiān)測與報警系統(tǒng)的設(shè)計[J].中國集成電路,2011,20(8):68-71.

[7] 褚超群,陳松,劉志杰.基于MSP430的一氧化碳報警系統(tǒng)設(shè)計[J].中國科技信息,2014(1):110-111.

[8] 吳琦,冷報春,賴東寅.基于MSP430G2553的家用光照及溫度檢測系統(tǒng)設(shè)計[J].甘肅科技,2013,29(10):20-22.